補足説明資料

研究の背景

近年、がん治療において、放射線治療の中でも特に、粒子線による治療が注目を集めている。この粒子線がん治療は、放射線量を治療対象部位のみに選択的に照射(局所制御)することが可能なため、がん患部以外の正常部位への影響が少ないという利点がある。しかしながら、粒子線を得るには大型の「加速器」が必要となるため、高額な建設コストや運営コストなどの問題がある。この問題を解決するために、原子力機構では、レーザー駆動粒子線加速の原理を利用した加速器の小型化を提案し、「光医療産業バレー拠点創出」プロジェクトを進めている。このレーザー駆動粒子線加速は、高強度超短パルスレーザー2)を物質に照射し高密度プラズマを発生させることで生じる、1TV/m3)に及ぶ急峻な電場勾配4)(従来の高周波型加速器の数万倍)を利用して、陽子などのイオンを加速するものであり、この原理によってイオン生成・加速部をミクロンサイズにスケールダウンさせることができる。「光医療産業バレー拠点創出」プロジェクトでは、レーザー駆動粒子線がん治療装置を10m程度の大きさにすることを目標に、医用に適した高強度レーザーの開発、レーザーを用いた高エネルギーイオンの加速等の研究を進めている。

研究の内容と意義

強いレーザー光を十分に薄い膜に照射すると輻射圧5)が高くなり、薄膜表面でレーザーが反射する際に与える運動量付与により、薄膜に含まれるイオンがレーザー進行方向へ加速される。これが“レーザーピストン”加速である。今回ブラノフらは、従前は一定であるとしていた薄膜の密度が、加速途中で時間とともに低下するとした。従前の解析モデルでは、対象となる現象を1次元的に扱っていたが、より実際に近い解析を行うためには現象を3次元的に扱う必要がある。実際には、被加速体である薄膜は、ピストンで押されながら、ピストンで押されている方向とは直行する方向にさらに広がり薄くなると考えられる。したがって、薄膜密度が加速途中で低下するというように3次元的な描像を考えることがより現実的である。例えば、ピンと張ったゴムの膜を指で突くと指でついた部分の厚さが薄くなるが、本研究ではそのような効果を解析モデルに取り入れている。その結果、加速途中の薄膜の密度低下を考慮することで、単位粒子当たりに付与できる運動量が、従前に比べはるかに大きくなり、極めて効率の良いイオン加速が可能になることを示した。(従前との比較については、図1を参照)さらにレーザーの波形を最適化することで、レーザー光の速度と、加速されるイオンの速度とがほとんど一致できるという解を見出した。これはすなわちレーザー光が並走するイオンを押し続けることとなるので、原理的には加速エネルギーの限界がなくなることを意味している。

図1 レーザーエネルギーとそのレーザーにより加速された陽子エネルギーとの関係(理論予測)


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